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gemello digitale
Un digital twin è una rappresentazione virtuale di un oggetto o di un sistema progettato per riflettere accuratamente un oggetto fisico. Copre il ciclo di vita dell'oggetto, viene aggiornato dai dati in tempo reale e utilizza la simulazione, l'apprendimento automatico e il ragionamento per aiutare a prendere decisioni.
L'oggetto studiato, ad esempio una turbina eolica, è dotato di vari sensori relativi ad aree vitali della funzionalità. Questi sensori producono dati su diversi aspetti delle prestazioni dell'oggetto fisico, come la produzione di energia, la temperatura, le condizioni meteorologiche e altro ancora. Il sistema di elaborazione riceve queste informazioni e le applica attivamente alla copia digitale.
Dopo aver ricevuto i dati pertinenti, il modello digitale può essere utilizzato per condurre varie simulazioni, analizzare i problemi di prestazioni e creare potenziali miglioramenti. L'obiettivo finale è quello di ottenere conoscenze preziose che possono essere utilizzate per migliorare l'entità fisica originale.
Sebbene le simulazioni e i gemelli digitali utilizzino entrambi modelli digitali per replicare i vari processi di un sistema, un gemello digitale è in realtà un ambiente virtuale, il che lo rende notevolmente più ricco per lo studio. La differenza tra un gemello digitale e una simulazione è in gran parte una questione di scala: mentre una simulazione studia tipicamente un processo particolare, un gemello digitale può eseguire un numero qualsiasi di simulazioni utili per studiare più processi.
Le differenze non finiscono qui. Ad esempio, le simulazioni di solito non traggono vantaggio dalla disponibilità di dati in tempo reale. Ma i gemelli digitali sono progettati attorno a un flusso di informazioni bidirezionale che si verifica quando i sensori degli oggetti forniscono dati rilevanti al processore di sistema e poi si ripete quando le informazioni create dal processore vengono condivise con l'oggetto sorgente originale.
Avendo dati migliori e costantemente aggiornati relativi a un'ampia gamma di aree, combinati con la potenza di calcolo aggiuntiva che accompagna un ambiente virtuale, i gemelli digitali possono studiare più problemi da punti di vista molto più vantaggiosi rispetto alle simulazioni standard, con un maggiore potenziale finale per migliorare prodotti e processi.
Scopri i processi utilizzati per gestire i dati delle prestazioni ambientali e i passi necessari per contabilizzare le emissioni di gas serra (GHG).
Esistono vari tipi di gemelli digitali a seconda del livello di ingrandimento del prodotto. La differenza maggiore tra questi gemelli è l'area di applicazione. È comune che diversi tipi di gemelli digitali coesistano all'interno di un sistema o di un processo. Esaminiamo i vari tipi di digital twin per scoprire le differenze e come vengono applicate.
I gemelli di componenti sono l'unità di base di un digital twin, il più piccolo esempio di un componente funzionante. I gemelli di parti sono più o meno la stessa cosa, ma riguardano componenti di importanza leggermente inferiore.
Quando due o più componenti lavorano insieme, formano ciò che è noto come un asset. I gemelli di asset consentono di studiare l'interazione di questi componenti, creando una ricchezza di dati sulle prestazioni che possono essere elaborati e poi trasformati in informazioni utili.
Il livello successivo di ingrandimento coinvolge i gemelli di sistema o di unità, che consentono di vedere come diverse risorse si uniscono per formare un intero sistema funzionante. I gemelli di sistema forniscono visibilità sull'interazione degli asset e possono suggerire miglioramenti delle prestazioni.
I gemelli di processo, il livello di ingrandimento macro, rivelano come i sistemi lavorano insieme per creare un intero impianto di produzione. Questi sistemi sono tutti sincronizzati per funzionare alla massima efficienza o i ritardi in un sistema influenzeranno gli altri? I gemelli di processo possono aiutare a determinare gli schemi temporali precisi che in ultima analisi influenzano l'efficacia complessiva.
L'idea della tecnologia dei gemelli digitali è stata espressa per la prima volta nel 1991, con la pubblicazione di Mirror Worlds, di David Gelernter. Tuttavia, al dottor Michael Grieves (allora docente all'Università del Michigan) viene attribuito il merito di aver applicato per la prima volta alla produzione il concetto di gemelli digitali (nel 2002) e di aver annunciato formalmente il concetto di software per gemelli digitali. Infine, nel 2010, John Vickers della NASA ha introdotto un nuovo termine, “gemello digitale”.
Tuttavia, l'idea di base di utilizzare un gemello digitale come mezzo per studiare un oggetto fisico può essere testimoniata molto prima. In effetti, si può affermare a ragione che la NASA è stata pioniera nell'uso della tecnologia dei gemelli digitali durante le sue missioni di esplorazione spaziale degli anni '60, quando ogni veicolo spaziale in viaggio veniva esattamente replicato in una versione terrestre che veniva utilizzata a scopo di studio e di simulazione dal personale NASA in servizio negli equipaggi di volo.
Migliore R&S
L'uso dei gemelli digitali consente una ricerca e una progettazione dei prodotti più efficaci, con un'abbondanza di dati creati sui probabili risultati prestazionali. Tali informazioni possono fornire spunti utili alle aziende per apportare i necessari miglioramenti ai prodotti prima di avviarne la produzione.
Maggiore efficienza
Anche dopo che un nuovo prodotto è entrato in produzione, i gemelli digitali possono aiutare a rispecchiare e monitorare i sistemi di produzione, con l'obiettivo di raggiungere e mantenere la massima efficienza durante l'intero processo produttivo.
Fine vita del prodotto
I gemelli digitali possono anche aiutare i produttori a decidere cosa fare con i prodotti che raggiungono la fine del loro ciclo di vita e che devono essere sottoposti a un trattamento finale, attraverso il riciclaggio o altre misure. Utilizzando i gemelli digitali, possono determinare quali materiali del prodotto possono essere raccolti.
Sebbene i gemelli digitali siano apprezzati per ciò che offrono, il loro utilizzo non è garantito per ogni produttore o per ogni prodotto creato. Non tutti gli oggetti sono abbastanza complessi da richiedere il flusso intenso e regolare di dati dei sensori che i gemelli digitali richiedono. Né vale la pena, dal punto di vista finanziario, investire risorse significative nella creazione di un gemello digitale. (Si tenga presente che un gemello digitale è una replica esatta di un oggetto fisico, il che potrebbe renderne costosa la creazione).
In alternativa, numerosi tipi di progetti traggono vantaggio dall'uso di modelli digitali.
- Progetti fisicamente grandi: edifici, ponti e altre strutture complesse sono vincolati da regole ingegneristiche rigorose.
- Progetti meccanicamente complessi: turbine a reazione, automobili e aerei. I gemelli digitali possono aiutare a migliorare l'efficienza all'interno di macchinari complicati e motori di dimensioni enormi.
- Apparecchiature di potenza: includono sia i meccanismi di generazione che quelli di trasmissione dell'energia.
- Progetti produttivi: i gemelli digitali eccellono nel contribuire a ottimizzare l'efficienza dei processi, come avviene negli ambienti industriali con sistemi di macchine co-funzionanti.
Pertanto, le industrie che ottengono i maggiori successi con i gemelli digitali sono quelle che si occupano di prodotti o progetti su larga scala:
- Ingegneria (sistemi)
- Produzione di automobili
- Produzione di aeromobili
- Progettazione di vagoni ferroviari
- Costruzione di edifici
- Produzione industriale
- Servizi di pubblica utilità
Il mercato dei gemelli digitali: pronto per la crescita
La rapida espansione del mercato dei digital twin indica che, sebbene i gemelli digitali siano già in uso in molti settori, la domanda continuerà ad aumentare per un po' di tempo. Nel 2022, è stato previsto che il mercato globale dei gemelli digitali raggiungerà i 73,5 miliardi di dollari entro il 2027.1
L'uso di gemelli digitali end-to-end consente ai proprietari e agli operatori di ridurre i tempi di inattività delle apparecchiature e di aumentare la produzione. Scopri una soluzione di Service Lifecycle Management creata da IBM e Siemens.
I digital twin sono già ampiamente utilizzati nelle seguenti applicazioni:
I motori di grandi dimensioni, tra cui motori a reazione, motori di locomotive e turbine per la generazione di energia, traggono enormi vantaggi dall'uso dei gemelli digitali, in particolare per aiutare a stabilire i tempi per la manutenzione regolarmente necessaria.
Le grandi strutture fisiche, come i grandi edifici o le piattaforme di perforazione offshore, possono essere migliorate attraverso i gemelli digitali, in particolare durante la loro progettazione. Sono, inoltre, utili nella progettazione dei sistemi che operano all'interno di tali strutture, come i sistemi HVAC.
Poiché i gemelli digitali hanno lo scopo di rispecchiare l'intero ciclo di vita di un prodotto, non sorprende che siano diventati onnipresenti in tutte le fasi della produzione, guidando i prodotti dalla progettazione al prodotto finito e in tutte le fasi intermedie.
Proprio come i prodotti possono essere profilati utilizzando gemelli digitali, lo stesso vale per i pazienti che ricevono servizi sanitari. Lo stesso tipo di sistema di dati generati dai sensori può essere utilizzato per tenere traccia di vari indicatori di salute e generare informazioni chiave.
Le automobili rappresentano molti tipi di sistemi complessi e co-funzionanti e i gemelli digitali sono ampiamente utilizzati nella progettazione automobilistica, sia per migliorare le prestazioni dei veicoli che per aumentare l'efficienza della loro produzione.
Gli ingegneri civili e gli altri soggetti coinvolti nelle attività di pianificazione urbana sono aiutati in modo significativo dall'uso di gemelli digitali, che possono mostrare dati spaziali 3D e 4D in tempo reale e incorporare anche sistemi di realtà aumentata negli ambienti costruiti.
È in corso un cambiamento fondamentale dei modelli operativi esistenti. Una reinvenzione digitale si sta verificando in settori ad alta intensità di risorse che stanno cambiando i modelli operativi in modo dirompente, richiedendo una visione fisica e digitale integrata di risorse, apparecchiature, strutture e processi. I gemelli digitali sono una parte vitale di questo riallineamento.
Il futuro dei gemelli digitali è quasi illimitato perché una quantità crescente di potere cognitivo viene costantemente dedicata al loro uso. Pertanto, i gemelli digitali apprendono costantemente nuove competenze e capacità, il che significa che possono continuare a generare le informazioni necessarie per migliorare i prodotti e rendere i processi più efficienti.
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Note a piè di pagina
1 Digital Twin Market by Enterprise, Application (Predictive Maintenance, Business optimization), Industry (Aerospace, Automotive & Transportation, Healthcare, Infrastructure, Energy & Utilities) and Geography (link esterno a ibm.com) —Global Forecast to 2027, Digital Twin Market, giugno 2022